JP2018105271A - 燃料噴射弁 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明が解決すべき課題は、高燃料圧力条件下でも駆動できるようにしかつ、燃料噴射弁のストロークを可変にする。【解決手段】摺動可能に設けられた弁体と、前記弁体と協働する第一の可動子と、前記可動子と対向する位置に設けられた磁気コアと、環状の弁座が形成された弁座部材と、前記可動子を変位させ前記弁体を前記弁座に離着座させるコイルとを備える燃料噴射弁において、前記第一の可動子および前記弁体と当接する第二の可動子と、下流側に弁体を付勢する第一のばねと、第二の可動子と弁体の間に付勢される第二のばねと、第一の可動子を上流側に付勢する第三のばねとを備え、前記第二の可動子の弁体との間に空隙を上流側に設ける。【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関に用いられる燃料噴射弁であって、コイルに電流を流すことにより可動子と磁気コアとを含む磁気回路に磁束を発生させ、可動子を磁気コア側に引き付ける磁気吸引力を作用させることにより、弁体の開閉を行う電磁式燃料噴射弁に関する。

従来技術では、コイルへの通電によって発生する磁気吸引力を用いて噴孔からの燃料を噴射する燃料噴射弁が公知である。このような燃料噴射弁では、コイルに通電すると、磁気コアと可動子との間に磁気吸引力が発生する。可動磁気コアと一体となった弁体は、可動子と磁気コアの間に発生した磁気吸引力によって可動子が磁気コア側に引き寄せられ、弁体に力を伝達し、弁体を弁座とは離間する方向に運動させる。一体となった可動子および弁体は、磁気コアと衝突することにより移動が規制され、停止位置が決定し、コイルへの通電を中止すると、磁気コアと可動子の間に形成された磁束が消失し、磁気吸引力が弁体を下流側生ずる力よりも小さくなると、閉弁を開始しやがて閉弁する。この際に、噴射された燃料が噴射量として、内燃機関に供給され燃焼に利用される。

この内燃機関に供給される燃料を正確に計量するために特許文献１に開示されているように、可動子を分割することでストロークを可変にする構成が提案されている。

特開２０１４−１４１９２４ 公報

しかしながら、特許文献１に開示されている構成では、燃料噴射弁に供給される燃料圧力が高くなると、動作しにくくなり、設定可能な燃料圧力の自由度が小さくなるという問題があった。

従って本発明が解決すべき課題は、高燃料圧力条件下でも駆動可能かつ、ストロークを可変にすることである。

上記目的を達成するために、本発明では磁気コアと、前記磁気コアに対向する第一対向面を有し当該第一対向面が前記磁気コアに吸引される第一可動コア（アウターアンカー）と、前記第一可動コアと別体で構成され、前記磁気コアに対向する第二対向面を有し当該第二対向面が前記磁気コアに吸引される第二可動コア（インナーアンカー）と、
前記第二可動コア（インナーアンカー）の前記第二対向面に対して前記第一可動コア（アウターアンカー）の前記第一対向面が外周側に配置され、前記第一可動コア（アウターアンカー）の上流側端面と対向する前記第二可動コア（インナーアンカー）の下流側端面には前記第一可動コア（アウターアンカー）の上流側端面に向かって凸となる凸部が形成された。

また前記第二可動コア（インナーアンカー）の下流側端面は、前記凸部と平面部とで構成され、前記凸部に対して前記平面部の面積の方が大きくなるように構成されたことが望ましい。また前記第二可動コア（インナーアンカー）の下流側端面は、弁体軸方向に直交する直交方向において、前記凸部が前記下流側端面の中心よりも外周側に形成されたことが望ましい。

また前記第二可動コア（インナーアンカー）の下流側端面は、前記凸部と平面部とで構成され、弁体軸方向において前記凸部が前記第一可動コア（アウターアンカー）の内周部と重なるように配置されたことが望ましい。

本発明の燃料噴射弁によれば、複数のストロークを構成することで、燃料噴射量の制御範囲が広くなることに加えて、閉弁状態において弁体もしくは、弁体に係合されている部品と可動子の間に設けられた空隙によって、可動子の運動エネルギを開弁動作に利用でき、内燃機関の広い運転領域で最適な燃料噴射を実現する事が出来る。

本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の実施形態を示す断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体の断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の第二可動子の断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の第一可動子の断面図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の可動子近傍の拡大図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の可動子近傍の拡大図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の可動子近傍の拡大図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の可動子近傍の拡大図である。 本発明の第一実施例に係る燃料噴射弁の弁体、内径側可動子、および外径側可動子の挙動を示した図である。 本発明の第一実施例に係る噴射量特性を示した図である。

以下に、本発明の構造が多く用いられる燃料噴射弁の実施形態について図面を参照しながら説明する。

［燃料噴射弁の基本構成］
図１は、本発明にかかる燃料噴射弁の例として、電磁式燃料噴射弁の例を示す断面図である。図１に示した電磁式燃料噴射弁は、筒内直接噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁の例であるが、本発明の効果は、ポート噴射式のガソリンエンジン向けの電磁式燃料噴射弁や、ピエゾ素子や磁歪素子で駆動される燃料噴射弁においても有効である。なお本発明の説明において、燃料噴射弁１００の軸方向に対して燃料噴射孔側を上流側、弁座側を下流側として説明する。

本発明の第一の実施形態に係る燃料噴射弁について、図１〜図４を用いて、以下に説明する。図１は本発明の実施形態に係る燃料噴射弁の構造を示す断面図である。図２は、本発明の実施形態に係る弁体部の断面図である。図３は、本発明の実施形態に係る第二可動子の断面図である。図４は、本発明の実施形態に係る第一可動子の断面図である。図５〜８は本発明の実施形態に係る磁気コア部の拡大断面図である。図９は、本発明の実施形態に係る、ストローク：大およびストローク：小をするときの可動部の弁体の変位と駆動電流波形を示した図である。図１０は、本発明の実施形態に係る、ストローク：大およびストローク：小をするときの噴射量特性を示した図である。

図１は本発明の実施形態における燃料噴射装置の縦断面図とその燃料噴射装置を駆動するための、ＥＤＵ（駆動回路）１２１、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）１２０の構成の一例を示す図である。なお、ＥＣＵ１２０とＥＤＵ１２１は一体の部品として構成されてもよい。少なくとも燃料噴射装置（電磁式燃料噴射弁）の駆動装置は、燃料噴射装置の駆動電圧を発生する装置であって、ＥＣＵとＥＤＵとが一体となったものであってもよいし、ＥＤＵ単体であってもよい。

ＥＣＵ１２０では、エンジンの状態を示す信号を各種センサーから取り込み、内燃機関の運転条件に応じて適切な駆動パルスの幅や噴射タイミングの演算を行う。ＥＣＵ１２０より出力された駆動パルスは、信号線１２３を通して燃料噴射装置のＥＤＵ１２１に入力される。ＥＤＵ１２１は、コイル１０８に印加する電圧を制御し、電流を供給する。ＥＣＵ１２０は、通信ライン１２２を通して、ＥＤＵ１２１と通信を行っており、燃料噴射装置に供給する燃料の圧力や運転条件によってＥＤＵ１２１によって生成する駆動電流を切替えることが可能である。ＥＤＵ１２１は、ＥＣＵ１２０との通信によって制御定数を変化できるようになっており、制御定数に応じて電流波形が変化する。

まず、燃料噴射弁１００における全体構成と燃料の流れについて説明する。燃料噴射弁１００に供給される燃料は燃料供給口１１２から供給され、燃料噴射弁１００の内部に供給される。燃料噴射弁１００は、内部に流路の開閉を行う弁体１０１を有し、弁体１０１の対向する位置には、弁座１０２が設けられている。弁座１０２には、燃料噴射孔１１６を有している。また弁体１０１は、スリーブ１１３が係合されている。弁体１０１に係合されるスリーブ１１３に接するように第一スプリング１１０が設けられ、スリーブ１１３を介して、弁体１０１は下流方向（弁座１０２方向）に付勢されている。

弁体１０１は、弁座１０２と接触してシール座を形成するシート部１１５を有しており、コイル１０８に通電がないときには、弁体１０１は第一スプリング１１０によって弁座１０２に押し付けられ、燃料をシールする構造となっている。

燃料噴射弁１００は、磁気回路を形成し、磁気的な吸引力により弁体１０１を駆動するための、可動子群２００、磁気コア１０７、磁気コアの外周側の位置するコイル１０８を有している。可動子群２００は、第一可動子２０１と第二可動子２０２に分割されている。第一可動子２０１は、磁気コア１０７に対向する第一対向面２０１ａを有し当該第一対向面２０１ａが磁気コア１０７に吸引される。第二可動子２０２は、第一可動子２０１と別体で構成され、前記磁気コアに対向する第二対向面２０２ａを有し第二対向面２０２ａが前記磁気コア１０７に吸引されるように構成されている。また、弁体１０１および可動子群２００は、ノズルホルダ１１１に内包されている。上記で説明した構成により、第一可動子２０１と第二可動子２０２は磁気的な吸引力により、磁気コア１０７側に引き上げることが可能となる。

駆動回路１２１よりコイル１０８に電流が印可され、磁気コア１０７と第二可動子２０２の間に生ずる磁気的な吸引力によって、第二可動子２０２が前記磁気コア１０７に向かって移動した場合、第二可動子２０２は、弁体１０１を上流側に移動させると伴に、第一可動子２０１が前記磁気コア１０７に向かって移動した場合、弁体１０１を上流側に移動させるように構成されている。

また第一可動子２０１の第一対向面２０１ａに対して第二可動子２０２の第二対向面２０２ａを内周側に配置されている。

第一可動子２０１の外周部２０１ｂは、弁体軸方向１０１ａと直交する方向において、第二可動子２０２の内周部２０２ｂと対向するように構成され、弁体軸１０１ａ方向において、第一可動子２０１の下流側端面が第二可動子２０２の上流側端面２０２aと対向するように構成されている。

第一可動子２０１は内周側に下流側へ向かって凹む凹み部２０１ｃが形成されており、凹み部２０１ｃの内部に第二可動子２０２が内包されていている。

その際、第一可動子２０１と第二可動子２０２の弁体軸１０１ａ方向の長さ関係は、第一可動子２０１の軸方向最大長さＬ１が、第二可動子２０２の軸方向最大長さＬ２に対して長くなるように構成する。

第一可動子２０１は第二可動子２０２の第二対向面２０２ａに対して、第一可動子２０１の第一対向面２０１ａが外周側に配置され、第一可動子の上流側端面と対向する前記第二可動子２０２の下流側端面には第一可動子の上流側端面に向かって凸となる凸部が形成されている。

つまり、第二可動子２０２の下流側端面は、凸部２０２ｃと平面部２０２ｅで構成されている。この時、第二可動子２０２の下流側端面は、下流側凸部２０２ｃに対し下流側平面部２０２ｅの面積の方が大きくなるように構成される。さらに、弁体軸１０１ａにおいて第二可動子２０２の下流側凸部２０２ｃが第一可動子の内周部と重なるように配置されている。

また、第二可動子２０２の下流側端面は、弁体軸１０１ａに直交する直交方向において、第二可動子２０２の下流側凸部２０２ｃが下流側端面の中心よりも外周側に形成されている。

弁体１０１は、上流側において外周側に凸となる段付き部１３１を有しており、第二可動子２０２の下流側端面２０２ｃが段付き部１３１の上流側端面１３１ａと対向して支持されている。

弁体１０１は、第二可動子２０２よりも上流側に、第二対向面２０２ａと係合して弁体１０１を駆動する弁体係合部１１３ａを有しており、第二可動子２０２が上流側に移動した場合にスリーブ１１３と係合して弁体１０１を上流側（開弁方向）に移動させる。

第一可動子２０１は、第二可動子２０２と係合する第一係合部２２１を有し、第二可動子２０２が上流側に移動した場合、弁体係合部１１３ａを介して、弁体１０１を上流側に移動させる。

これらの構成により、 第二可動子２０２の磁気的な吸引力は、第一可動子２０１を介して、第一可動子２０１の磁気的な吸引力は弁体係合部１１３ａを介して、弁体１０１を駆動するように構成されている。

第一可動子２０１および第二可動子２０２は、移動した際に生ずる流体力を低減するため、燃料通路孔２０１ｄ、燃料通路孔２０２ｄを有している。燃料通路孔２０１ｄ、燃料通路孔２０２ｄの孔部の弁体軸１０１ａの垂直方向における面積は、外径側可動子２０１および内径側可動子２０２が動作する際の排除体積による流体力を緩和するのに十分な面積を有している。

第一可動子２０１と弁体１０１との間には、第二スプリング２０３が設けられ、第一可動子２０１と弁体１０１とを引き離す方向に第二スプリング２０３の付勢力が作用している。

第二可動子２０２とスプリング保持部材１１１の間には、第三スプリング２０４が設けられ、第二可動子２０２とスプリング保持部材１１１とを引き離す方向に第三スプリング２０４の付勢力が作用している。この時、第三スプリングによる付勢力Ｆｚと第二スプリングの付勢力Ｆｍの絶対値は、第二スプリングの方が大きくなるように設定されている。また磁気コア１０７の下流側端面１０７ａにおける内周部の内径Ｄｃは、第一可動子２０１の上流側端面における外周部の外径Ｄｉの方が小さくなるように構成されている。そのため、コイル１０８へ通電されると、外径側可動子と磁気コアおよび内径側可動子と磁気コアの空隙に磁束が発生し、磁気吸引力が生ずる構成となっている。

次に図５〜図８を参考にして、弁体１０１、第一可動子２０１、第二可動子２０２間に設けられた空隙の関係と、コイル１０８に電流が印可された際の部材の動作について説明する。

図５に示すように、コイル１０８に通電がなく、弁体１０１と弁座１０２が接触している閉弁状態において、第一可動子２０１は、第二スプリング２０３によって下流側に付勢され、段付き部１３１の上流側に設けられた接触面１３１ａを介して、静止している。
また第二側可動子２０２は、第三スプリング２０４によって、上流側に付勢されており、第一可動子２０１と第二可動子２０２との間に設けられた第一係合部２２１を介して、外径側可動子２０２も静止状態を維持している。その際、第二可動子２０２とスリーブ１１３の間には、空隙ｇ₁が設けられている。

図５の状態より、コイル１０８に通電されると、電磁弁の磁気回路を構成する磁気コア１０７、ヨーク１０９、第一可動子２０１と第二可動子２０２に磁束が生じ、磁気コア１０７と第一可動子２０１およびの磁気コア１０７と第二可動子２０２との間に磁気吸引力が発生する。

式（１）に示すように、第一可動子２０１と磁気コア１０７の間に作用する磁気吸引力Ｆｉと第二可動子２０２と磁気コア１０７の間に作用する磁気吸引力Ｆｏの和が、中間スプリング２０３の付勢力Ｆｍとゼロスプリング２０４の付勢力Ｆｚの差よりも大きくなると、第一可動子２０１と第二可動子２０２は、磁気コア１０７側に吸引され、運動を開始する。

Ｆｏ+Ｆｉ＞Ｆｍ-Ｆｚ 式（１）
スリーブ１１３と内径側可動子２０１との間に予め設けられた空隙ｇ１分だけ、内径側可動子２０１が変位すると、図６に示すように、磁気コア１０７と第一可動子２０１との間に設けられた空隙ｇ２’にまで減少し、内径側可動子２０１は、スリーブ１１３の衝突面１１３ａと第二の対抗面２０２ａが衝突する。

この時、第一可動子２０１ならびに第二可動子２０２に蓄えられた運動エネルギが、弁体１０１の開弁動作に使用されるため、運動エネルギを利用した分、開弁動作の応答性を向上し、ひいては高い燃料圧力下でも開弁することが可能となる。

コイル１０８への通電を継続し、外径側可動子２０１と磁気コア１１７の間に予め設けられた空隙ｇ２だけ外径側可動子２０１が変位すると、図７に示すように外径側可動子２０１の運動は、磁気コア１１７により規制される。

この時、図１０（ａ）に示すように、コイル１０８への通電する電流４０３がある予め設定した閾値よりも小さくすると、式（２）および式（３）の力の関係、すなわち第一側可動子２０１の磁気吸引力Ｆｏと第二可動子２０２の磁気吸引力Ｆｉの和の方が、弁体１０１に作用する流体による差圧力Ｆｐと第一スプリング１１０による付勢力Ｆｓとの和よりも大きくなる条件と、第二側可動子２０２の磁気吸引力Ｆｉが、弁体１０１に作用する流体による差圧力Ｆｐとスプリング１１０による付勢力Ｆｓとの和よりも小さくなる条件を満たし、図７に示すように、第一可動子２０１と磁気コア１０７の空隙がなくなり、第二可動子２０２と磁気コア１０７間の空隙ｇ３のみが残留する。

Ｆｓ + Ｆｐ ＜ Ｆｉ + Ｆｏ 式（２）
Ｆｓ + Ｆｐ ＞ Ｆi 式（３）
この状態（ショートストローク状態）より、コイル１０８への電流が遮断され、内径側可動子２０１と外径側可動子２０２の間に生じている磁束が消失し、磁気吸引力がスプリングの付勢力と弁体１０１に作用する流体力よりも小さくなると、内径側可動子２０１ならびに外径側可動子２０１は下流側への変位を開始し、それに伴って弁体１０１は閉弁動作を開始し、やがて弁座と衝突し、閉弁する。結果として、図１０（ａ）に示すように、弁体１０１は、第一可動子２０１と磁気コア１０７間に設けられた空隙ｇ２分だけ変位する（弁体変位４０２）となる。第一可動子２０１の変位は、磁気コア１０７あるいは第一可動子の運動を規制する部材に衝突することによって変位が規定される。これにより、弁体１０１の変位は安定し、安定した噴射量を供給することができる。
一方、図１０（ｂ）に示すように、コイル１０８への通電する電流値４０１を予め設定した閾値よりも大きくすると、式（４）に示すように内径側可動子２０２の磁気吸引力Ｆｉが、弁体１０１に作用する流体による差圧力Ｆｐとスプリング１１０による付勢力Ｆｓとの和よりも大きくなるようにすることで、図８に示すように、第一可動子２０１は磁気コア１０７と第一可動子２０１との間に設けられた空隙ｇ３分だけ、第一可動子２０１は変位する。結果、第一可動子２０１は、弁体１０１を引き上げ、弁体１０１は、空隙ｇ２と空隙ｇ３の和だけ変位する（ロングストローク状態）。第２可動子２０２の変位は、磁気コア１０７あるいは第二可動子２０２の運動を規制する部材に衝突することによって変位が規定される。そのため、弁体１０１の挙動は安定し、安定した噴射量を供給することができる。

Ｆｓ + Ｆｐ ＞ Ｆi 式（４）
ロングストローク状態より、コイル１０８への電流が遮断され、内径側可動子２０１に生じている磁束が消失し、磁気吸引力がスプリングの付勢力と弁体１０１に作用する流体力よりも小さくなると、内径側可動子２０１は下流側へ変位する。

磁束は内径側より消失を開始するのに加え、流体力と第一スプリング１１０による付勢力により、第一可動子２０１の方が第二可動子２０２に比べて早く閉弁動作に移行する。その結果、内径側可動子２０２は、外径側可動子２０１との空隙ｇ３だけ、下流側へ運動すると、外径側可動子２０１と衝突し、外径側可動子２０１を叩き落としながら、下流側に変位する。

上記運動に伴って、弁体１０１は閉弁動作を開始し、やがて弁座１０２と衝突し、閉弁する。結果として、図１０（ｂ）に示すように、弁体１０１はロングストローク状態の弁変位４０３となる。

燃料噴射弁１００に供給する電流により、弁体１０１の変位をロングストローク状態とショートストローク状態と切り替え可能にするためには、閉弁状態での第一可動子２０１と弁体の空隙ｇ１、第二可動子２０２と磁気コア１０７の空隙ｇ２、第一可動子２０１と磁気コア１０７の第一可動子ｇ３の寸法関係は、大きい順にｇ２、ｇ３、ｇ１となるように設定する。

このように可動子群２００を第一可動子２０１と、第二可動子２０２に分割し、コイル１０８への印可電流を変えることで、弁体１０１の変位を可変にすることが可能である。図１０にロングストローク状態における噴射量特性（噴射指令期間と噴射量の関係）を示す。図１０のように、電流波形を変えることで、ショートストローク状態での噴射量特性４０５とロングストローク状態での噴射量特性４０６が得られる。これにより、内燃機関の燃焼に必要となる最適な燃料噴射量を安定して供給することが可能となる。

本実施例においては、吸入空気量、内燃機関回転数、燃料噴射圧力、アクセル開度をセンシングし、その閾値によって、燃料噴射弁に通電する電流波形を切り替えることとしたが、他の情報を用いても、同様の効果が得られる場合には、切替えをすることが可能である。

弁体・・・101
弁座・・・102
磁気コア・・・107
コイル・・・108
ヨーク・・・109
第一スプリング・・・110
第二スプリング・・・203
第三スプリング・・・204
燃料供給口・・・112
スリーブ・・・113
第一可動子・・・201
第二可動子・・・202

Claims (4)

1. 磁気コアと、
   前記磁気コアに対向する第一対向面を有し当該第一対向面が前記磁気コアに吸引される第一可動コア（アウターアンカー）と、
   前記第一可動コアと別体で構成され、前記磁気コアに対向する第二対向面を有し当該第二対向面が前記磁気コアに吸引される第二可動コア（インナーアンカー）と、
   前記第二可動コア（インナーアンカー）の前記第二対向面に対して前記第一可動コア（アウターアンカー）の前記第一対向面が外周側に配置され、
   前記第一可動コア（アウターアンカー）の上流側端面と対向する前記第二可動コア（インナーアンカー）の下流側端面には前記第一可動コア（アウターアンカー）の上流側端面に向かって凸となる凸部が形成された燃料噴射弁。
2. 請求項１に記載の燃慮噴射弁において、
   前記第二可動コア（インナーアンカー）の下流側端面は、前記凸部と平面部とで構成され、前記凸部に対して前記平面部の面積の方が大きくなるように構成された燃料噴射弁。
3. 請求項１に記載の燃慮噴射弁において、
   前記第二可動コア（インナーアンカー）の下流側端面は、弁体軸方向に直交する直交方向において、前記凸部が前記下流側端面の中心よりも外周側に形成された燃料噴射弁。
4. 請求項１に記載の燃慮噴射弁において、
   前記第二可動コア（インナーアンカー）の下流側端面は、前記凸部と平面部とで構成され、弁体軸方向において前記凸部が前記第一可動コア（アウターアンカー）の内周部と重なるように配置された燃料噴射弁。

Images